Erzeugung und Kontrolle der Electrohydrodynamic fließt in wässrigen Elektrolytlösungen
Summary
Die Berichtigung von Ion Transportwege ist eine effektive Methode um ein-seitige Ion gezogen Electrohydrodynamic Ströme zu erzeugen. Durch die Festlegung einer Ionen-Austausch-Membran in einen Strömungskanal, ein elektrisch polarisierter Zustand wird erzeugt und führt zu einem Flüssigkeitsstrom Gefahren werden, wenn ein elektrisches Feld extern angewendet wird.
Abstract
Electrohydrodynamic (EHD) fahren fließt in wässrigen Lösungen, die Trennung von Kationen und Anionen Transportwege ist wichtig weil eine gerichtete elektrische Körperkraft hat durch Ionische Bewegungen in Flüssigkeit induziert werden. Auf der anderen Seite, positive und negative Ladungen ziehen sich gegenseitig, und Elektroneutralität bleibt überall in Gleichgewichtsbedingungen. Darüber hinaus muss eine Erhöhung einer angelegten Spannung unterdrückt werden, um Wasser-Elektrolyse zu vermeiden, wodurch die Lösungen instabil werden. In der Regel können EHD fließt in nichtwässrigen Lösungen induziert werden durch die Anwendung von extrem hoher Spannungen, wie Dutzende von kV, elektrische Ladungen zu injizieren. In dieser Studie werden zwei Methoden eingeführt, um generieren EHD Ströme induziert durch elektrische Ladung Trennungen in wässrigen Lösungen, wo zwei flüssige Phasen durch eine Ionen-Austausch-Membran getrennt sind. Durch einen Unterschied in der Ionischen Mobilität in der Membran wird Ionen-Konzentration Polarisierung zwischen beiden Seiten der Membran induziert. In der vorliegenden Studie zeigen wir zwei Methoden. (i) die Lockerung der Ionen-Konzentration Steigungen erfolgt über einen Strömungskanal, die eine Ionen-Austausch-Membran durchdringt, wo die langsamere Arten in der Membran selektiv dominierend im Strömungskanal wird. Dies ist eine treibende Kraft, eine EHD-Strömung in der Flüssigkeit zu generieren. (Ii) eine lange Wartezeit für die Diffusion von Ionen durch die Ionen-Austausch-Membran ermöglicht die Erzeugung ein Ion-gezogen-Flow durch extern Anlegen eines elektrischen Feldes. Ionen in einem Strömungskanal eine 1 x 1 mm2 Querschnitt konzentriert bestimmen Sie die Richtung der Flüssigkeitsströmung, entsprechend der elektrophoretischen Transportwege. Bei beiden Methoden wird die elektrische Spannungsdifferenz erforderlich für eine EHD-Flow-Generierung drastisch reduziert, um 2 V in der Nähe von Beseitigung der Ionen-Transportwege.
Introduction
Vor kurzem haben Flüssigkeitsstrom Steuerungstechniken angezogen viel Aufmerksamkeit wegen Interesse an Anwendungen von Mikro- und nanofluidischen Geräte1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. in polaren Lösungen wie wässrigen Lösungen und Ionische Flüssigkeiten, Ionen und elektrisch geladenen Teilchen in der Regel über elektrische Ladungen in Flüssigkeitsströmen bringen. Der Transport solcher polarisierte Teilchen stellt eine Erweiterung der verschiedenen Anwendungen, wie Einzelmolekül-Manipulation6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, Ionen-Diode Geräte12,18und Flüssigkeitsstrom Steuern19,20,21,22. EHD fließen seit ein anwendbar Phänomen für Regelungs-und Steuerungssysteme Flüssigkeitsstrom Stuetzer1,2 die Ionen ziehen Pumpe erfunden. Melcher und Taylor3 veröffentlicht einen wichtigen Artikel, in denen der theoretische Rahmen der EHD Fluss wurde enthusiastisch begrüßt und einige herausragende Experimente wurden auch demonstriert. Saville4 und seine Kollegen23,24 trugen zu den folgenden Ausbau EHD Technologien in Flüssigkeiten. Allerdings gab es einige Einschränkungen für Induktion fließt Flüssigkeit angetrieben durch elektrische Kräfte, denn Zehntausende kV in Flüssigkeiten, elektrische Ladungen in unpolaren Lösungen, wie z.B. Öle, sie polarisieren,1,2 injizieren angewendet werden , 3. Dies ist ein Nachteil für wässrige Lösungen, weil der Wasser-Elektrolyse, die durch eine elektrische Spannung höher als 1,23 V induziert ist die Eigenschaften der Lösungen verändert und die Lösungen instabil macht.
In Mikro- und nanofluidischen Kanäle verursachen Oberfläche Vorwurf der Kanalwände die Konzentration von gegenionen, die effektiv Elektroosmotischer fließt (EOFs induzieren) nach außen angewandte elektrische Felder25,26,27 ,28,29. Mit EOFs, wurden einige flüssige Pumpen Techniken in wässrigen Lösungen, Verringerung der elektrischen Spannungen30,31,32angewendet. Auf der anderen Seite beschränken sich EOFs auf der Mikro- und Nanospaces in denen Fläche dominanter als flüssige Volumen werden generiert wird. Darüber hinaus führt je nach Transport von hochkonzentrierten Ionen sehr nahe an den Wandflächen, wie z. B. in elektrischen Doppelschichten, die Slip-Grenze nur die Flüssigkeit, die möglicherweise nicht ausreichend, um Druck Steigungen7, 8 , 22 , 26 , 27. Feinabstimmung, wie Kanal Abmessungen und Salzkonzentrationen, ist erforderlich für die Anwendungen der EOF. Im Gegensatz dazu fließt EHD Körper scheinen Kräfte zur Verfügung stehen, um Massen und Energien zu transportieren, wenn die Anwendung Spannungen reduziert werden können, um zu vermeiden, erniedrigende Lösungsmittel zurückzuführen. Vor kurzem haben einige Forscher vorgeschlagen, Anwendungen von EHD mit niedrigen Spannungen33,34,35,36. Obwohl diese Technologien noch nicht umgesetzt haben, sollen die Grenzen zu erweitern.
In den vorhergehenden Studien führten wir auch experimentelle und theoretische Arbeiten auf EHD fließt in wässrigen Lösungen37,38,39,40. Es wurde angenommen, dass die Berichtigung von Ion Transportwege wirksam war zu elektrisch geladene Lösungen zu generieren, die elektrischen Körperkräfte unter elektrische Felder führen. Durch die Verwendung einer Ionen-Austausch-Membran und einen Strömungskanal durchqueren die Membran, konnten wir Ionische Strömungen zu korrigieren. Bei der Bewerbung einer Anion-Austausch-Membran kationen konzentriert in den Fluss Kanal gezogen die Lösungsmittel und entwickelt eine EHD fließen37,38,39. Ein Unterschied bei der Mobilität von ionenspezies war ein wichtiger Faktor, wenn die kationischen und anionischen Strömungen zu trennen. Ionenaustauscher Membranen effektiv arbeitet die Mobilität aufgrund der Ionen-Selektivität zu modulieren. Ion TRANSPORTPHÄNOMENE wurden auch aus der Sicht der Ionischen Stromdichte beeinflusst durch angewandte elektrische Felder41untersucht. Diese Studien wurden fruchtbar für entwickeln Manipulationstechniken für einzelne Moleküle, nämlich Mikro- und Nanopartikel, deren Bewegungen durch thermische Fluktuationen11,16,17 stark betroffen sind . EOFs und EHD Ströme werden voraussichtlich erweitern die Vielfalt der präzise Flow Control-Methoden sowie Druck Steigungen.
In dieser Studie zeigen wir Ihnen zwei Methoden, um Laufwerk EHD fließt in wässrigen Lösungen. Erstens dient zum Antrieb einer EHD fließen37,38,39eine NaOH-Lösung für ein Arbeitsmedium. Eine Anion-Austausch-Membran trennt die Flüssigkeit in zwei Teile. Ein Strömungskanal Polydimethylsiloxan (PDMS) mit einem Querschnitt von 1 x 1 mm und einer Länge von 3 mm durchdringt die Membran. Durch die Anwendung einer elektrischen Spannung von 2,2 V, wird die elektrophoretische Transport von Na+, H+und OH− Ionen entlang der elektrische Felder induziert. Ein Anion-Austausch-Membran und einen Strömungskanal arbeiten effektiv, um die Transportwege von Ionen zu trennen, wo Anionen dominant die Membran passieren und kationen konzentrieren sich im Strömungskanal, obwohl beide Arten in der Regel in entgegengesetzte Richtungen bewegen, Aufrechterhaltung der Elektroneutralität. So bewirkt solch ein Zustand keine treibende Kraft für flüssige Bewegungen. Diese Struktur ist entscheidend für die Erzeugung von eine EHD-Fluss, dessen Fließgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1 mm erreicht/s in den Kanal, weil hochkonzentriert kationen durch externe elektrische Felder beschleunigt ziehen Sie Lösungsmittel Moleküle. EHD Bewegungen beobachtet und aufgezeichnet mit einem Mikroskop und einer Highspeed-Kamera, wie in Abbildung 1dargestellt. Zweitens ein Konzentration Unterschied zwischen zwei flüssigen Phasen getrennt durch eine Ionen-Austausch-Membran bewirkt eine elektrisch polarisierten Zustand zu generierenden überqueren eine Ionen-Austausch-Membran-40. In dieser Studie finden wir die Bedeutung von einer erheblichen Wartezeit zu equilibrate Ionen-Verteilungen und eine entsprechende elektrische Potential, wodurch vorzuziehene Bedingungen Körper Kraft in einer Flüssigkeit. Überqueren die Ionen-Austausch-Membran, wird ein schwach polarisierter Zustand erreicht. In einem solchen Zustand ein äußerlich angewandte elektrisches Feld induziert gerichtete Ionentransport, die eine Körperkraft in einer Flüssigkeit erzeugt und dadurch die Impulsübertragung von den Ionen, die Lösungsmittel entwickelt einen EHD-Fluss.
Wie oben erwähnt, die heutigen Geräte erfolgreich den angelegten Spannungsunterschied zu einigen Volt drastisch zu verringern, und kann deshalb diese Methode kann für wässrige Lösungen verwendet werden, obwohl die konventionelle elektrische Ladung Injektionsmethoden Zehntausende kV erforderlich und beschränken sich auf einen Antrag auf nicht-wässrigen Lösungen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Zweck dieser Studie war, kationen und Anionen in wässrigen Lösungen in Bezug auf die räumliche Verteilung und Transport Zahlen zu trennen. Mit einem Anion-Austausch-Membran, könnte der Transport von Anionen und kationen in der Membran und in einen Strömungskanal, der die Membran, bzw. durchdringt korrigiert werden. Alternativ, arbeitete eine KATIONENAUSTAUSCH Membran, die hohe und niedrige Konzentration Lösungen getrennt, um elektrisch polarisierte Lösungen nach erheblicher Wartezeit zu generieren. Infolgedess…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren haben keine Bestätigungen.
Materials
| Sylgard 184 | Dow Corning Corp. | 3097366-0516, 3097358-1004 | PDMS |
| Acetone | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 012-00343 | |
| Ethanol | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 054-00461 | |
| 0.1 mol/L Sodium Hydroxide Solution | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 196-02195 | |
| Pottasium Chloride | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 163-03545 | |
| Tris-EDTA buffer 100x concentrate | Sigma-Aldrich Co. LLC. | T9285-10014L | |
| 2.93 μm polystyrene particle | Merck KGaA | L300 Rouge | Tracer particle |
| 1.01 μm polystyrene particle | Merck KGaA | K100(23716) | Tracer particle |
| Anion exchange membrane | ASTOM Corp. | Neosepta AHA | |
| Gold (Au) | Furuuchi Chemical Corp. | AUT-13301X | Sputtering target metal |
| Titanium | Furuuchi Chemical Corp. | TIT-72301X | Sputtering target metal |
| Chromium | Furuuchi Chemical Corp. | CRT-24301X | Sputtering target metal |
| Hight-speed CMOS camera | Keyence Corp. | VW-600M | |
| Microscope | Keyence Corp. | VW-9000 | |
| Data logger | Keyence Corp. | NR-500, NR-HA08 | |
| Laser displacement meter | Keyence Corp. | LK-G5000, LK-H008W | |
| PIV and PTV software | DITECT Co. Ltd. | Flownizer 2D | |
| Potentiostat | AMTEK Inc. | VersaSTAT4 | |
| Inverted microscope | Olympus Corp. | IX73 | |
| High-speed CMOS camera | Andor Technology Ltd. | Zyla 5.5 sCMOS | |
| Function generator | NF Corp. | WF1945B | |
| Function generator | NF Corp. | WF1973 | |
| Ultrasonic cleaner | AS ONE Corp. | AS22GTU | |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | G-100S | Degas liquid PDMS |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | GLD-201A | Sputtering |
| Molecular diffusion pump | ULVAC, Inc. | VPC-400 | Sputtering |
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